A revolução da bateria finalmente chegou

A tecnologia de baterias melhorou desde que os veículos elétricos entraram em cena, mas tudo está prestes a mudar

Foto de: InsideEVs

Por: Peter Holderith

30 Outubro em 07:06

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Os veículos elétricos estão avançando em um ritmo incrível, mas ainda estamos nos primeiros dias. O Tesla Model S e o X ainda usam formatos de células de bateria nunca imaginados para uso em carros. No entanto, muita coisa está prestes a acontecer no mundo das baterias automotivas. Estamos entrando em um novo capítulo da eletrificação, com tecnologias novas e revolucionárias já chegando ao mercado. A maioria das pessoas ainda não a viu.

O impulso em direção à próxima geração de baterias tem duas escolas de pensamento: levar a tecnologia atual a novos patamares ou mudar completamente de marcha para um novo tipo de célula de bateria. A Factorial, a QuantumScape e o Group14 são empresas que estão nessa corrida, e cada uma delas tem ideias para alcançar o estado da arte. Todas elas têm parcerias com grandes montadoras, o que significa que o que elas estão fazendo hoje pode ter um grande impacto nos carros que você comprará em breve.

O que está por vir

A Factorial e a QuantumScape estão desenvolvendo células de estado sólido. Essa ainda é uma tecnologia emergente, e várias empresas além da Factorial e da QS têm perspectivas diferentes sobre como elas devem funcionar. O principal atributo de todas essas baterias é a solidificação do eletrólito tradicionalmente líquido. No entanto, um eletrólito sólido não oferece vantagens apenas no vácuo. O que importa é como você pode alterar outras partes da bateria como resultado da solidificação, principalmente o ânodo. Um ânodo melhor é fundamental para liberar as vantagens de densidade de energia, custo e peso das baterias de estado sólido.

Uma imagem de demonstração de uma bateria de estado sólido.

O ânodo, parte do eletrodo negativo, é um dos principais componentes das células de bateria à base de lítio, juntamente com o cátodo (parte do eletrodo positivo), o separador e o eletrólito. Atualmente, quase todos os ânodos de bateria são feitos de grafite, o primeiro material de ânodo usado com sucesso em baterias de íon-lítio. No entanto, o grafite está próximo de seu pico de desempenho, e encontrar um substituto é fundamental para aumentar a densidade de energia da bateria, tanto em termos de massa quanto de volume.

O lítio é o melhor material teórico para um ânodo devido ao seu baixo peso e alta capacidade de energia. Os pesquisadores já tentaram usar um ânodo de lítio metálico em células convencionais de eletrólito líquido. Os experimentos nunca saíram do laboratório. Conforme o artigo de pesquisa Lithium Metal Anode: Past, present, and Future descreve, cristais chamados dendritos se formaram nos ânodos dessas células experimentais após apenas alguns ciclos. Como em todas as células convencionais atuais, o eletrólito era um fluido, e o separador era (e ainda é) efetivamente apenas um pedaço de plástico extremamente fino. Nenhum dos dois podia fazer muito para evitar a formação de dendritos.

À medida que a célula se carregava, esses cristais penetravam no separador da bateria e provocavam um curto-circuito. A parte engraçada disso tudo é que as células foram ótimas nos poucos ciclos em que realmente funcionaram. A bateria continha mais energia graças ao ânodo de lítio metálico, mas, devido ao crescimento dos dendritos, essa energia extra era apenas combustível para o fogo quando a célula inevitavelmente entrava em curto-circuito, pegava fogo e explodia.

Portanto, esses pesquisadores não estavam realmente fabricando baterias de lítio em um laboratório. Eles estavam produzindo pequenos explosivos que, por acaso, armazenavam muita energia.

Depois de muito mais experimentos, o setor determinou que os eletrólitos sólidos eram provavelmente a melhor maneira de evitar a fabricação de bombas recarregáveis. Em outras palavras, as baterias de estado sólido foram mais ou menos conceituadas e desenvolvidas como resultado da busca por um ânodo ideal. A maioria das células de estado sólido em desenvolvimento atualmente pela Factorial, QuantumScape e outras, como a Solid Power, tem ânodos de lítio metálico.

A fundadora da Factorial, Siyu Huang, é uma química que vem desenvolvendo baterias de estado sólido há vários anos. Ela disse que quando uma das primeiras células de sua empresa sediada em Boston atingiu 25 ciclos, isso foi um grande passo. "25 ciclos para uma célula de 100 amp/hora", lembrou ela, "todos ficaram muito empolgados". Hoje, as baterias de sua empresa - das quais milhares foram enviadas para parceiros ansiosos como Stellantis e Mercedes-Benz - estão atingindo mais de 600 ciclos.

Bateria experimental de estado sólido da Factorial.

Huang foi aberta sobre as capacidades de suas células, o que nem sempre é verdade para as empresas deste tipo de bateria. Ela afirma que as unidades automotivas da Factorial atingem taxas de descarga entre 4C e 10C, o que é comparável às células convencionais usadas nos carros elétricos atuais. Elas operam em uma faixa de tensão um pouco mais ampla do que as células de íons de lítio comuns e podem carregar de 20 a 80% em menos de 15 minutos. Isso também é semelhante às melhores baterias atuais, mas com uma grande vantagem: ps pacotes de estado sólido da Factorial são 40% mais leves e 33% menores do que as baterias comparáveis. Huang está entusiasmado com seu potencial, mas entende os céticos que dizem que a tecnologia ainda está a anos de distância.

"O motivo pelo qual o estado sólido ainda não foi [industrializado] é, em primeiro lugar, a abordagem", disse ela ao InsideEVs. "Há muitos tipos diferentes de estado sólido." De fato, a Factorial tem vários concorrentes.

A QuantumScape, sediada na Califórnia, é uma delas. Assim como a Factorial, ela enviou as primeiras células para os clientes e está em processo de industrialização de suas baterias. Seu CEO, Siva Sivaram, diz que o "molho secreto" é seu separador de cerâmica exclusivo. Ele funciona como um separador convencional, mas também substitui efetivamente o eletrólito. Da mesma forma, não é combustível, ao contrário dos separadores convencionais de íons de lítio.

As células da QS são "sem ânodo", o que significa que o lítio metálico flui do cátodo para um coletor de corrente no outro lado do separador toda vez que a célula entra em ciclo. Esse lítio transitório é efetivamente o ânodo, em comparação com uma célula convencional em que o material do ânodo permanece em um lado do separador fixado a um coletor de corrente. As baterias da QS se expandem e se contraem fisicamente como resultado disso, mas o design exclusivo da célula da empresa significa que as dimensões externas da unidade permanecem relativamente constantes.

Uma célula de bateria QuantumScape.

"Temos o equivalente à fórmula da Coca-Cola. O separador de cerâmica é único", disse Siva. "Em termos de potência e energia, peso e volume, essas baterias de estado sólido sem ânodo, conforme criadas, são as melhores."

A empresa ainda não divulgou uma folha de especificações detalhada de suas células, mas compartilhou alguns dados preliminares que indicam que suas inovações são significativas. Tanto a Factorial quanto a QS contam com o apoio de grandes montadoras e já receberam centenas de milhões em investimentos. No entanto, nem todos acham que o íon-lítio está morto e enterrado.

QuantumScape

Apesar dos melhores esforços dos desenvolvedores de baterias de estado sólido, os dendritos ainda se formam nas células de estado sólido. É assim que elas morrem. Atualmente, isso as limita a centenas de ciclos, ao contrário dos milhares esperados de muitas químicas de lítio convencionais. Elas estão melhorando constantemente, mas os fabricantes de automóveis conservadores podem hesitar em aderir ao movimento. No momento, elas também estão limitadas ao formato de bolsa, ao contrário das baterias de íons de lítio convencionais, que também podem ser fabricadas em formatos cilíndricos ou prismáticos. Cada formato de bateria tem prós e contras, e ficar preso em um só não é o ideal (veja a última apresentação do dia do investidor da GM). "Tentaremos outros formatos com base nas necessidades de nossos clientes", disse Siva, mas as baterias de estado sólido permanecerão como bolsas por enquanto.

Concorrência convencional

Rick Luebbe é o CEO da empresa de materiais de bateria Group14, que não está fabricando células de estado sólido. Em vez disso, o Group14 é pioneiro no uso de ânodos com alto teor de silício em baterias convencionais de íons de lítio, o que permite densidades de energia impressionantes e grandes melhorias na densidade de potência. Ele acredita que as células de estado sólido têm muito potencial, mas a tecnologia de sua empresa está pronta agora. Ela já está presente em produtos eletrônicos de consumo e provavelmente entrará no mundo dos veículos elétricos nos próximos meses.

O Group14 não fabrica baterias, apenas materiais de ânodo. Ele fornece esses materiais em grandes quantidades para empresas como a Molicel, que os utiliza em suas células. A criação dessa tecnologia foi um longo caminho, mas ela permite alguns aprimoramentos exclusivos. O primeiro deles é mais energia, o que, de fato, é obrigatório para qualquer bateria nova. Luebbe diz que são possíveis melhorias de até 50%, embora os números iniciais da Molicel estejam mais na faixa de 20%. No entanto, o aprimoramento mais relevante é a densidade de potência, que foi uma surpresa para Luebbe e sua equipe.

Ânodos com alto teor de silicone do Group14.

"Conseguimos fazer com que o silício funcionasse e o setor disse: 'Uau, podemos obter uma melhoria de até 50% na densidade de energia', o que foi fantástico", disse Luebbe ao InsideEVs. Mais tarde, porém, um dos clientes do Group14, a StoreDot, publicou números intrigantes. "Eles estavam carregando suas células em menos de dez minutos".

"[Os ânodos de alto silício] são bons para a densidade de energia, mas são fantásticos para a densidade de potência."

A densidade de potência é a velocidade com que uma célula pode carregar ou descarregar no contexto de uma determinada capacidade. As células convencionais de íons de lítio conseguiram atingir alta densidade de potência em termos de taxas de descarga, mas as altas velocidades de carga são mais difíceis de serem alcançadas sem afetar seriamente a densidade de energia. Como resultado, os veículos elétricos atuais com velocidades de carga rápidas geralmente são equipados com grandes conjuntos de baterias ou operam com tensões muito altas. Essas duas abordagens são necessárias para compensar as deficiências das células existentes.

Os parceiros do Group14 indicam que seu material de ânodo soluciona esse problema. As futuras baterias da Molicel aumentam as correntes de carga para quase o dobro das atuais células de última geração, juntamente com o aumento de energia mencionado anteriormente. Isso se traduz em maior alcance e carregamento mais rápido quando usado em um pacote de baterias de veículos elétricos.

O objetivo intencional de obter menos energia em uma célula - otimizando para um determinado atributo - também pode levar as densidades de energia a faixas nunca antes vistas em células de íons de lítio. "A nova célula que [a Molicel] está lançando, a série X, está sendo anunciada como capaz de carregar de zero a 100% em 90 segundos", disse Luebbe. Ele acrescentou que o Group14 testou [as células existentes/as células de próxima geração] e descobriu que elas cumpriram essas afirmações.

A Molicel também não é a única a desenvolver baterias com o material anódico do Group14. Os parceiros da empresa são muitos, e sua capacidade de produzir a geração atual de material de silício, conhecida como SCC55, está crescendo rapidamente. Em breve, suas instalações produzirão SCC55 suficiente para 30 gigawatts-hora de novas células de bateria por ano. Isso é o suficiente para cerca de meio milhão de carros elétricos.

Linhas do tempo

Os respectivos CEOs da QuantumScape, Factorial e Group14 não comentaram muito sobre a tecnologia uns dos outros. Talvez isso se deva ao fato de haver muitas nuances em qualquer comparação em potencial, ou talvez porque todos eles entendam o que significa industrializar tecnologias de bateria. É um negócio difícil e, naturalmente, o público que compra carros nem sempre o vê dessa forma.

A Nio ET7 já oferece uma "bateria de estado semi-sólido" com um eletrólito de gel na China. Mas uma verdadeira SSB automotiva de nível de produção não está à venda em nenhum mercado.

No entanto, sua tecnologia de bateria é real. As células de ânodo com alto teor de silício do Group14 chegarão aos carros assim que uma montadora puder colocá-las em um pacote. As baterias de estado sólido estão logo atrás, especialmente considerando a duração típica de meia década dos ciclos de produtos automotivos. Milhares de células de estado sólido já foram fabricadas e estão sendo testadas pelos fabricantes de automóveis. Elas saíram do laboratório e estão a caminho da industrialização.

Se você acha que a eletrificação está estagnada, lembre-se de onde começamos. O Tesla Model S e o X ainda usam 18650 pilhas, um formato de célula projetado para eletrônicos de consumo. Os avanços até agora nos EVs têm sido principalmente arquitetônicos: aumento das tensões, alteração dos formatos das baterias, simplificação das carrocerias e endurecimento dos pneus. As baterias melhoraram, mas não como estão prestes a melhorar. Essa mudança parecerá ter acontecido da noite para o dia, mas essas tecnologias vêm sendo desenvolvidas há décadas. Elas estão finalmente perto de chegarem às ruas.

Peter é o editor associado da Motor1 e é um amante da maioria das tecnologias, especialmente sobre rodas. Ele obteve seu diploma de Design Industrial em 2020 e não o usou mais desde então. Ele mora em New Hampshire.